黑龍江省雨季開始異常氣候特征及信號分析

李永生，趙佳瑩，班 晉

（黑龍江省氣候中心，黑龍江 哈爾濱150030）

1 引言

黑龍江省位于東北地區(qū)的北部，屬于溫帶濕潤、半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，該氣候決定了黑龍江只適合種植一年一熟的農(nóng)作物，夏季是黑龍江農(nóng)作物的主要生長季，夏季降水對黑龍江農(nóng)作物具有重要影響。受東亞夏季風(fēng)影響，每年7-8月季風(fēng)雨帶北移到華北、東北地區(qū)，形成了華北、東北雨季[1]。王學(xué)忠等人[2]利用旬降水量對東北的主要降水時段進行了雨季劃分，東北雨季于7月中上旬開始，8月中上旬結(jié)束，夏季降水集中期主要集中在7月中旬-8月上旬。沈柏竹等[3]分析得到影響東北地區(qū)初夏降水的系統(tǒng)主要是東北冷渦，影響東北地區(qū)盛夏降水的系統(tǒng)主要是東亞夏季風(fēng)。王遵婭等[4]在劃分中國雨季的研究中也提出了華北、東北雨季的平均日期是在39-45候，并且是單峰型降水。由于中國國土面積較大，且氣候復(fù)雜多變，所以各地區(qū)的雨季也有著不同的日期。近些年，關(guān)于雨季的研究也從定性化逐步轉(zhuǎn)向了定量化，用到的降水量也從月、旬轉(zhuǎn)到了候、日。目前，我國對于東北雨季的研究還相對有限，很少有一個統(tǒng)一、定量、客觀的雨季指標(biāo)對東北雨季進行系統(tǒng)研究，中國氣象局預(yù)報與網(wǎng)絡(luò)司根據(jù)國家級和省級天氣氣候業(yè)務(wù)及服務(wù)需求，制定了《東北雨季監(jiān)測業(yè)務(wù)規(guī)定》，采取地理行政分區(qū)與氣候分區(qū)相結(jié)合的方式對東北雨季監(jiān)測區(qū)進行了劃分，對東北雨季監(jiān)測、預(yù)測研究具有十分重要意義。

東北雨季是東亞夏季風(fēng)北上過程中的最末階段，之后東亞夏季風(fēng)南撤。而黑龍江省位于東北的最北端，是東亞夏季風(fēng)的北邊緣地帶，除了受東亞夏季風(fēng)影響，還受中高緯的環(huán)流系統(tǒng)影響，這就使得其氣候復(fù)雜。目前，已有很多學(xué)者對東北地區(qū)夏季降水異常的成因及其大氣環(huán)流背景以及外強迫因子進行了分析，例如鄒立堯等[5]指出黑龍江省旱澇趨勢比較復(fù)雜，具有地域特點，并用數(shù)值模式對旱澇的形成機理進行了模擬；何金海等[6]指出前期2月北半球環(huán)狀模（NAM）偏弱，為東北冷渦偏弱年，造成降水偏少。由上可見，雖然針對東北夏季降水已有了不少研究，目前關(guān)于東北雨季的氣候特征研究相對較少，對黑龍江省雨季的研究更是少之又少，以往對黑龍江省降水的研究主要集中在夏季，研究焦點聚集在黑龍江省夏季降水的年際、年代際變化以其對應(yīng)的環(huán)流系統(tǒng)，還有海溫等外強迫信號對黑龍江省夏季降水的影響[7-8]。由于黑龍江省夏季降水主要集中在雨季，而黑龍江省雨季開始早晚年際差異較大，黑龍江省雨季開始的早晚一方面是防汛的關(guān)鍵期，另一方面對農(nóng)業(yè)影響至關(guān)重要[9]。因此分析黑龍江省雨季的早晚及其影響因子，可為雨季開始日期的預(yù)測提供科學(xué)依據(jù)，對防災(zāi)、減災(zāi)具有重要意義。

2 資料與方法

黑龍江省雨季是按照中國氣象局預(yù)報與網(wǎng)絡(luò)司2016年發(fā)布的《東北雨季監(jiān)測業(yè)務(wù)規(guī)定（試行）》中的監(jiān)測指標(biāo)確定的，監(jiān)測區(qū)域包括黑龍江省62個氣象站，黑龍江省雨季監(jiān)測所需基本氣象資料：監(jiān)測區(qū)域內(nèi)62個氣象站的逐日（前日20時至當(dāng)日20時）降水量資料。單站雨季開始日定義為：自6月1日起，當(dāng)單站某日5天滑動累計降水量大于等于該站6-9月（氣候態(tài)1981-2010年）平均日降水量的8倍，且這5日中至少有一天日降水量≥10 mm，則首個≥10 mm的日期即為該站雨季開始日。氣候態(tài)為1981-2010年的平均，“5天滑動累計降水量”指當(dāng)日與前四日的累計降水量。黑龍江省雨季開始日：雨季已經(jīng)開始的累計站點比例達到或超過該區(qū)域總站點的55%時，則將該日定為黑龍江省的雨季開始日；在雨季監(jiān)測時段內(nèi)，降水稀少、降水時段不集中，以致無法確定雨季的起止日期，稱之為空汛。空汛年是指降水量值不能達到該區(qū)域監(jiān)測指標(biāo)的要求。關(guān)于黑龍江省雨季結(jié)束日期、雨強、雨量等其他業(yè)務(wù)規(guī)范請參考中國氣象局預(yù)報與網(wǎng)絡(luò)司2016年發(fā)布的《東北雨季監(jiān)測業(yè)務(wù)規(guī)定（試行）》。

所用其它資料包括：美國國家環(huán)境預(yù)報中心/大氣研究中心（NCEP/NCAR）發(fā)布的逐日和逐月的再分析資料，包括高度場、風(fēng)場等，水平空間分辨率為2.5°×2.5°，垂直方向從1000-10 hPa共17層等壓面；美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的月平均海表溫度重建資料，水平空間分辨率為2°×2°，中國氣象局國家氣候中心（NCC）提供的大氣環(huán)流指數(shù)，時段均為1961年1月至2018年12月。

3 結(jié)果分析

3.1 黑龍江省雨季開始早晚氣候特征

圖1給出了1961-2018年黑龍江省雨季開始日期的距平變化及線性趨勢變化，可以看出，黑龍江省雨季開始日期存在明顯的年代際變化和年際變化，1961-2018年黑龍江省雨季開始日期主要集中在6、7月，其中6月開始的有26 a，7月開始的有28 a，8月開始的有3 a，1976年是空汛，雨季開始最早日期為6月1日，最晚為8月28日，最早和最晚相差88 d。1961-2018年黑龍江省雨季開始平均日期是7月3日，標(biāo)準(zhǔn)差為19 d。從其變化趨勢上看，趨勢系數(shù)為-1.8 d/10 a，黑龍江省雨季開始日期整體呈偏早趨勢，通過了0.05的顯著性檢驗，雨季開始日期偏早趨勢顯著。

圖1 1961-2018年黑龍江省雨季開始日期距平序列圖，直線表示線性趨勢

此外，采用Mann-kendall法對黑龍江省1961-2018年雨季開始日期序列進行突變性檢驗，并結(jié)合滑動t檢驗來分析突變情況，結(jié)果表明（圖略），MK統(tǒng)計量UF曲線一度超過了α=0.05顯著性水平線，正序列線（UF）在1964-1974年雨季開始日期序列以上升趨勢為主，之后變?yōu)橄陆第厔荩?981年以后總體表現(xiàn)為下降趨勢，并在1981年前后UF和UB曲線在兩信度線之間多次相交，表明在這段時期雨季開始日期發(fā)生了突變，再根據(jù)滑動T檢驗（圖2），表明在1981年發(fā)生了突變。從變化來看，在20世紀(jì)80年代和90年代雨季日期以偏早為主，進入21世紀(jì)以后雨季日期以偏晚為主，這和圖1的分析結(jié)果是一致的。

圖2 黑龍江省雨季開始日期的滑動t統(tǒng)計量曲線

3.2 影響黑龍江省雨季開始早晚的環(huán)流系統(tǒng)

分析影響黑龍江省雨季開始早晚的環(huán)流系統(tǒng)，采用約1.1倍的標(biāo)準(zhǔn)差，即雨季開始偏早22 d和偏晚22 d以上的標(biāo)準(zhǔn)劃分黑龍江省雨季開始異常的年份，得到雨季偏晚年有7 a（1968年、1978年、1982年、2001年、2005年、2007年、2015年），雨季偏早年有10 a（1974年、1977年、1990年、1992年、1997年、1998年、2002年、2009年、2012年、2016年）。將這17個異常年進行合成分析，得到影響黑龍江省雨季異常的環(huán)流系統(tǒng)。

首先分析500 hPa高度場相關(guān)分布，圖3是黑龍江省雨季開始時間與6月高度場相關(guān)分布，其中在中國東北地區(qū)上空是正相關(guān)，鄂霍次克海地區(qū)上空及其鄰近地區(qū)是負(fù)相關(guān)，北太平洋中部地區(qū)是正相關(guān)，均通過了0.05以上的顯著性檢驗，在副熱帶地區(qū)沒有明顯的相關(guān)關(guān)系，表明黑龍江省雨季開始早晚與東北冷渦和鄂霍次克海阻塞高壓有一定的關(guān)系，當(dāng)東北冷渦偏強，鄂霍次克海阻塞高壓偏強的時候，黑龍江省雨季開始日期偏早，反之，黑龍江省雨季開始日期偏晚。對比了500 hPa高度場（125°E-135°E平均）黑龍江省雨季開始偏早年和偏晚年的時間－緯度剖面圖（圖略），在雨季開始偏早年的6月份，大多數(shù)時間黑龍江省上空500 hPa地區(qū)是負(fù)距平控制，說明東北冷渦活躍；而在雨季開始偏晚年，東北冷渦不活躍。對比了黑龍江省雨季開始偏早、晚異常年850 hPa經(jīng)向風(fēng)場的時間—緯度剖面圖（圖略），雨季偏早年，6月黑龍江省（42°N-54°N）多為南風(fēng)距平，說明南風(fēng)偏強，有利于水汽向黑龍江地區(qū)輸送，有利于黑龍江省雨季開始偏早。偏晚年則正好相反，6月大多時間呈北風(fēng)距平，表明北風(fēng)偏強，不利于南方水汽向黑龍江地區(qū)輸送，導(dǎo)致黑龍江省雨季開始日期偏晚。

圖3 1961-2018年黑龍江省雨季開始時間與6月500 hPa高度場和850 hPa風(fēng)場相關(guān)分

由此可以看出，影響黑龍江省雨季開始時間早晚的環(huán)流系統(tǒng)只有中高緯環(huán)流，副熱帶地區(qū)的環(huán)流并沒有起到關(guān)鍵的作用，并且在東北冷渦的演變過程中，西太平洋副熱帶高壓并未明顯北抬，說明初夏副熱帶環(huán)流系統(tǒng)對東北冷渦形成發(fā)展的直接影響很小。這與傳統(tǒng)的季風(fēng)雨季的日期和影響系統(tǒng)有較大區(qū)別，傳統(tǒng)雨季開始早晚是東亞大氣環(huán)流系統(tǒng)從南向北推進快慢的結(jié)果，中國東部主要是季風(fēng)雨季，自南向北推進，華北、東北雨季開始于39-45候。雨季開始日期不同的主要原因在于雨季的劃分方法的不同。

由上述可知：東北冷渦對黑龍江省雨季開始早晚影響顯著，如果能準(zhǔn)確預(yù)測出東北冷渦的發(fā)生時間，相對應(yīng)的也就能預(yù)測出雨季開始的日期。東北冷渦是北半球中高緯度西風(fēng)帶環(huán)流形勢在東北地區(qū)特定條件下的產(chǎn)物，是東亞地區(qū)大氣環(huán)流的重要組成部分。基于對東北冷渦天氣學(xué)特征和氣候背景的研究結(jié)果，對東北冷渦的定義方式和識別方法也有多種[10]。通過前人的分析得出，850 hPa風(fēng)場能夠描述初夏東北冷渦演變過程的氣候特征，清楚地反映了東北冷渦形成、發(fā)展、減弱和消亡的氣候特征，整個過程歷時約1周。黑龍江省位于東北的最北端，只有東北冷渦中的北渦或部分中渦影響到黑龍江省，通過分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)北部冷渦偏多時，黑龍江省雨季開始日期容易偏早，而當(dāng)北部冷渦偏少時，雨季開始日期容易偏晚。丁婷等[11]研究也指出，6月份東北地區(qū)氣候異常主要受東北冷渦和鄂霍茨克海阻塞高壓的影響，當(dāng)6月東北冷渦活動偏多，鄂霍次克海阻塞高壓建立時，東北地區(qū)降水容易偏多。本研究發(fā)現(xiàn)：黑龍江省6月降水與黑龍江省雨季開始日期呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)指數(shù)達到了-0.58，通過了0.01的顯著性檢驗，當(dāng)雨季日期開始偏早時，黑龍江省6月降水易偏多。

3.3 影響黑龍江省雨季開始早晚的海溫外強迫信號

由于目前的氣候預(yù)測模式對歐亞中高緯度地區(qū)的環(huán)流預(yù)測和降水預(yù)測技巧較低，因此中高緯地區(qū)夏季降水的預(yù)測還需要考慮前期SST等外強迫的影響。以往研究表明,太平洋、印度洋和大西洋等不同區(qū)域SST異常對東北地區(qū)夏季降水異常均有較好的預(yù)示作用。

分析1961-2018年黑龍江省雨季開始日期與上一年冬季、當(dāng)年春季以及6-7月的海表溫度的相關(guān)分布，發(fā)現(xiàn)在3月和4月的海表溫度相關(guān)場上，赤道中東太平洋是負(fù)相關(guān)區(qū)，而赤道西太平洋地區(qū)是正的相關(guān)區(qū)（見圖4）。表明當(dāng)春季是El Nino狀態(tài)時，有利于黑龍江省雨季開始日期偏早；當(dāng)春季是La Nina狀態(tài)時，有利于黑龍江省雨季開始日期偏晚。

圖4 1961-2018年黑龍江省雨季開始日期與春季（3-4月）海表溫度的相關(guān)分布（a）3月，（b）4月

但同時也發(fā)現(xiàn)，這種相關(guān)并不是很明顯，只是冷暖狀態(tài)影響黑龍江省雨季開始早晚，而且隨著對El Nino的深入研究，不同類型El Nino事件不同階段對大氣的影響不同，對中國降水的影響也存在較大差異，且厄爾尼諾產(chǎn)生的影響也不同。表1將1961-2018年的El Nino事件列舉出，分析El Nino當(dāng)年和次年的黑龍江省雨季開始日期的早晚。通過分析發(fā)現(xiàn)，在發(fā)生的17個El Nino事件開始年中，有10 a雨季開始日期偏早，特別是從20世紀(jì)80年代開始，雨季開始日期偏早的概率較大，17個El Nino事件結(jié)束年中，有10 a雨季開始偏晚，但規(guī)律不明顯。又統(tǒng)計了1961年以來發(fā)生的13次La Nina事件（表略），發(fā)現(xiàn)在La Nina開始年，有10 a黑龍江省雨季開始日期偏早，La Nina結(jié)束年，有7 a黑龍江省雨季開始偏晚，1 a空汛，規(guī)律不明顯。

表1 1961-2018年El Nino事件當(dāng)年和次年對應(yīng)雨季開始早晚

4 結(jié)論與討論

（1）黑龍江省雨季開始時間具有顯著的年際和年代際變化特征，1961-2018年黑龍江省雨季開始時間平均在7月3日，雨季開始最早出現(xiàn)在6月1日，最晚出現(xiàn)在8月28日，雨季開始集中在6、7月，雨季開始日期在1981年左右發(fā)生一次突變，前期是以偏晚為主，后期是以偏早為主。

（2）黑龍江省雨季開始早、晚與東北冷渦和鄂霍次克海阻塞高壓有一定的關(guān)系，與副熱帶地區(qū)沒有明顯的相關(guān)關(guān)系，當(dāng)東北冷渦偏強，鄂霍次克海阻塞高壓偏強的時候，黑龍江省雨季開始日期偏早，反之，黑龍江省雨季開始日期偏晚。

（3）黑龍江省雨季開始早晚與ENSO有一定的關(guān)系，從20世紀(jì)80年代開始，El Nino事件和La nina事件當(dāng)年，黑龍江省雨季開始日期偏早的概率較大。

（4）本研究通過診斷分析，研究了影響黑龍江省雨季的關(guān)鍵環(huán)流系統(tǒng)配置和ENSO事件對黑龍江省雨季開始早晚的影響，后續(xù)還需要通過氣候模擬試驗進一步闡述ENSO是通過什么樣的過程影響黑龍江省雨季開始早晚的物理機制。